Верификация и оптимизация NC-программ

Инструменты верификации предоставляют программисту средства для проверки траектории движения инструмента в NC-программе до ее отправки в цех. Такой метод практически полностью исключает как возможность аварийного отказа стан­ка, так и утомительную доводку NC-программы. Многие предприятия констатиру­ют, что применение верификаторов приводит к существенной экономии материа­лов, затрат рабочей силы и рабочего ресурса дорогостоящего оборудования.

В случае использования опций оптимизации программное обеспечение читает файл пути движения инструмента (NC-программу) и автоматически изменяет назначенные скорости подачи так, чтобы подобрать наиболее оптимальную пода­чу в зависимости от условий обработки и параметров режущего инструмента.

Индивидуальный подбор режимов резания повышает эффективность процесса обработки и уменьшает время изготовления детали без потери качества. Как пра­вило, существуют отдельные методы оптимизации для различных материалов или видов обработки. Например, в процессе черновой обработки алюминиевых плит материал был удален на постоянную глубину, но радиальная ширина среза может изменяться. Для операций данного типа имеются специальные методики поддержания постоянной скорости резания, обеспечивающие отсутствие биений фрезы и постоянство съема металла. Использование этих методик в программном обеспечении оптимизаторов дает возможность определить количество материала, удаленного в каждом сегменте пути инструмента, а также позволяет автоматиче­ски назначить оптимальную скорость подачи.

Виды обработки

В практике ЧПУ принято классифицировать виды обработки по количеству сте­пеней свободы инструмента: 2D, 2.5D, 3D и 5D, а также по типу обработки: то­карная, фрезерная, электроэрозионная и т. п.

Наиболее простыми являются станки с ЧПУ, которые используют для обра­ботки только две координаты: токарные, эрозионные проволочные, газовой и плазменной резки, даже существуют фрезерные станки, управляемые только по координатам X и Υ. Эти станки выполняют 2D-обработку. Например, на рис. 9.2 показан эскиз раскроя листового материала, на основании которого создается программа для станка плазменной резки металла.

Рис. 9.2 Карта 2D-траекторий для раскроя листового материала на станке с ЧПУ

Особым случаем токарной обработки является токарно-фрезерная, когда вмес­то жесткого резца на токарном станке используется вращающаяся фреза. В случае токарно-фрезерной обработки CAM-система отображает на экране траекторию, развернутую в пространстве таким образом, как если бы не деталь позициониро­валась определенным образом при неподвижном инструменте, а, наоборот, фреза или сверло вращались вокруг зафиксированной детали. Такой подход позволяет достичь большей наглядности, избежав наложения множества траекторий возле инструмента, ограниченного в перемещениях двумя координатами (составляю­щая по третьей координате достигается за счет поворота заготовки).

При выполнении токарно-фрезерных переходов может быть выбран один из следующих способов управления осью вращения в УП:

1. Поворот заготовки для обработки в фиксированных положениях (координа­ты X,Υ,Ζ – непрерывно, при постоянной С). Плоская траектория инструмента, как в обычной фрезерной обработке, но ориентированная опреде­ленным образом по отношению к цилиндрической заготовке.

2. Обработка за счет непрерывного вращения заготовки (координаты X,Υ,С – непрерывно при постоянной Z). Проецирование плоской траектории на ци­линдрическую поверхность. В частности, запрограммированное в таком ре­жиме перемещение по отрезку порождает радиальный или винтовой паз. Заданием поперечного смещения для оси инструмента можно добиться того, чтобы стенки паза не сходились к центру, а были параллельны. Программная имитация такой обработки показана на рис. 9.3.

3. Обработка за счет непрерывного перемещения инструмента (координаты Χ,Υ,Z,С непрерывно). Отличается от предыдущего способом представления в УП: в данном случае в УП программируется плоская траектория в режиме «на­матывания» на цилиндр.

В отношении ориентации оси инструмента при обработке проще всего дело об­стоит с геометрией для позиционных переходов. Наиболее распространенный слу­чай – сверление радиальных отверстий или сверление отверстий по торцу детали. И в том, и в другом случае достаточно указать точки выполнения обработки, не строя вспомогательных систем координат и вычисляя углы поворота заготовки.

Рис. 9.3 Симуляция токарно-фрезерной обработки

Лекция 15

Особо стоит оговорить станки для 2.5D-обработки. Станки этой группы могут перемещать инструмент только по двум координатам одновременно. К примеру, могут выполнить обработку сложного контура в плоскости XY, но чтобы перемес­тить инструмент по Ζ, необходимо полностью остановиться по другим координа­там. Популярность этого подхода вызвана тем, что около половины управляющих программ основного производства выполняются в стиле 2.5D-обработки. Они ко­роткие, понятные и практически всегда применяются с использованием контур­ной коррекции, что, в свою очередь, позволяет удешевить производство и повы­сить качество изготавливаемых деталей. В простейшем случае общая глубина обработки может быть разбита по слоям, для каждого из которых будет произве­дена обработка по индивидуальному алгоритму.

Пример подобной обработки показан на рис. 9.4.

При построении траектории происходит автоматическое переключение пода­чи в зависимости от типа участка. Уровни обработки могут задаваться либо в аб­солютных значениях, либо относительно обрабатываемого слоя.

Наиболее популярны в настоящее время фрезерные станки, выполняющие полноценную ЗD-обработку. Эти станки могут перемещать инструмент по трем координатам одновременно. Пример такой обработки показан на рис. 9.5.

Станки с возможностью пятикоординатной обработки могут управлять не только линейными координатами инструмента ΧΥΖ, но также и его наклоном в двух плоскостях, та­ким образом, появляются еще две степени свободы. Подобные станки дают возможность точно обрабатывать сложные криволинейные поверхности. Пятикоординатные станки, в свою очередь, делятся по типу обработки на позиционные и непрерывные.

В позиционной схеме обработки, которую еще называют 3D+2D, повороты ин­струмента выполняются вне процесса резания. Это как бы набор трехосевых тра­екторий, выполняемых для разного положения оси инструмента. В этом случае жесткость технологической системы существенно выше, а управляющие про­граммы проще. Пример обработки показан на рис. 9.6.

В пятикоординатных системах непрерывного типа изменение наклона инстру­мента производится непосредственно в процессе обработки.

Наиболее часто используемая стратегия непрерывной пятиосевой обработки основана на отслеживании нормали к обрабатываемой поверхности. Однако в ряде случаев при описании оси инструмента необходимо задание двух углов относитель­но нормали: угла опережения, измеряемого в направлении движения, и угла откло­нения, измеряемого в перпендикулярной этому направлению плоскости.

Угол опережения создает лучшие условия резания, а угол отклонения обычно служит для лучшего доступа к обрабатываемым поверхностям вблизи выступов. Использование угла опережения позволяет обрабатывать, в частности, лопатки турбин скругленным инструментом, когда обработка по нормали просто невоз­можна (см. рис. 9.7).

Рис. 9.4 Фрезерная обработка в режиме 2.5D

Рис. 9.5 Фрезерная обработка в режиме 3D

Рис. 9.6 Позиционная 3D+2D-фрезерная обработка

Рис. 9.7 Пятикоординатная фрезерная обработка сложной криволинейной поверхности

Отдельным случаем является многоосевая обработка тонким инструментом, например проволочная электроэрозионная. При такой технологии управление углом опережения не имеет смысла, и в этом случае говорят о четырехкоординатной обработке (см. рис. 9.8).

Рис. 9.8 Четырехкоординатная обработка на электроэрозионном оборудовании

10 CAPP – технологическая подготовка производства

Групповые технологии

Автоматизированная технологическая подготовка производства (англ. Computer Aided Process Planning, САРР) используется для обозначения программных инст­рументов, применяемых на стыке систем автоматизированного проектирования (см. главу CAD) и производства (см. главу САМ). Задача технологической подго­товки – по созданной конструкторами CAD-модели изделия составить план его производства, называемый операционной, или маршрутной, картой. Этот план содержит указания о последовательности технологических и сборочных опера­ций, используемых станках и инструментах, режимах обработки и т. д. Техноло­гическая подготовка производства всегда осуществляется по имеющейся базе данных типовых техпроцессов, применяемых на конкретном предприятии. Раз­личают два подхода к автоматизированной технологической подготовке – моди­фицированный (вариантный) и генеративный.

При модифицированном подходе задача САРР-системы состоит в поиске наи­более похожего изделия в существующей базе данных и предъявлении его опера­ционной карты для модификации. При модифицированном подходе широко при­меняется групповая технология, позволяющая проводить классификации деталей в семейства похожих.

Разработанная советским ученым С. П. Митрофановым групповая технология используется при модифицированном подходе к технологической подготовке производства. Она состоит в классификации деталей в семейства, представляющие собой совокупность объектов, подобных друг другу по геометрической фор­ме, размерам и технологическим процессам их изготовления. Отнесение детали к известному семейству на основе ее формы и размеров позволяет быстро найти в технологической базе данных предприятия последовательность процессов, ис­пользуемых для изготовления похожих деталей, и модифицировать ее для изго­товления новой детали. Пример работы классификатора деталей показан на рис. 10.1.

Рис. 10.1 Классификатор типовых деталей

Еще одно приложение групповая технология находит при компоновке обору­дования в производственном цехе. Классическая схема компоновки состоит в группировке станков по видам обработки (токарный, фрезерный, сверлильный, шлифовальный и сборочный участки). Однако данная схема имеет очевидный недостаток в случае, если предприятие производит небольшое количество се­мейств деталей (по сравнению с объемами производства), – тогда накладные рас­ходы на передачу заготовок с участка на участок очень высоки. Альтернативная схема компоновки станков при подобном варианте состоит в размещении их по участкам в соответствии с семействами деталей. В этом случае каждый участок отвечает за изготовление деталей своего семейства.

На рис. 10.2 показана работа классификатора оборудования, помогающая оптимизировать состав и расположение парка станков.

Рис. 10.2 Классификатор оборудования

Генеративный подход состоит в распознавании у детали типовых конструктив­ных элементов и применении к ним типовых техпроцессов (токарная обработка, сверление и прочее). При генеративном подходе используются известные методы искусственного интеллекта для распознавания элементов и логического вывода.

Важным элементом САРР-систем является их открытость. Это означает, что систему можно не только настраивать на решение задач конкретного предприя­тия, но и модернизировать как на уровне интерфейса, так и на уровне функцио­нального назначения. Обычно в состав системы входит специальный редактор, с помощью которого создаются бланки документов. Поэтому каждое предприя­тие, использующее нестандартные формы документации, может без привлечения сторонних программистов создать требуемый комплект документов.

При проектировании техпроцессов используются базы типовых ТП и типовых технологических переходов. База типовых ТП и переходов пополняется по ходу проектирования, а также редактируется менеджером БД. Типы операций и пере­ходов заложены в соответствующих классификаторах, а состав основных свойств представлен в стандартах ЕСТД. Собственные функциональные возможности САРР-систем и сквозная интеграция с программным комплексом CAD обеспечи­вают решение следующих задач:

o управление хранением данных и документов: авторизация доступа, поиск информации, целостность данных, архивирование, резервное копирование, восстановление данных;

o управление процессами: управление работой, протоколирование работы;

o управление структурой изделия: технологический состав изделия, испол­нения;

o интерактивное проектирование технологических процессов (ТП);

o основные режимы: применение ТП, интерактивное заполнение ТП с ис­пользованием БД-ресурсов и контекстных закладок, копирование ТП из других проектов;

o автоматизированное проектирование техпроцессов на основе знаний струк­турно-параметрического синтеза;

o виды технологических процессов: обобщенный ТП, механообработка, сбор­ка, холодная штамповка, ковка и горячая штамповка, литье, термическая обработка, нанесение покрытий, сварка, пайка, изготовление деталей из пластмасс и резины и т. д.;

o автоматизированное проектирование операций;

o управление производственными и технологическими ресурсами;

o формирование сводных ведомостей и спецификаций; печать сформирован­ных документов.

Рис. 10.3 Обобщенный технологический процесс, оборудование и оснастка для типовых деталей

Отдельно стоит оговорить понятие общего технологического процесса (ОТП), его создание позволяет аккумулировать опыт и знания ведущих специалистов предприятия разных областей деятельности и использовать его. Программа для технологической подготовки производства обеспечивает автоматическое проек­тирование конкретных технологических процессов изготовления изделий с авто­матическим формированием структуры конкретного технологического процесса, подбором оснащения и различными техническими расчетами, заложенными в ОТП.

Пример обобщенного технологического процесса показан на рис. 10.3.

Лекция 16

Цифровое производство

Следующим шагом в развитии САРР-систем стало появление средств цифрового реалистичного моделирования производственных процессов, объединяющих в себе логистику традиционных САРР, моделирование технологических процес­сов на уровне CAM-систем и дополненное возможностями симуляции эргономи­ческих процессов, то есть поведения людей, участвующих в производстве. Будучи оснащенными развитыми средствами оптимизации, такие системы позволяют со­здавать совершенные технологические процессы, моделировать производство в масштабах предприятия, отрабатывать не только производственные процессы, но и эксплуатационные и ремонтные операции, тем самым реализуя концепцию управления жизненным циклом изделия (PLM).

Наиболее характерными решениями этого класса являются Technomatics ком­пании Siemens PLM Software и Delmia компании Dassault Systemes. Обе системы имеют весьма развитые и разнообразные возможности и поставляются в несколь­ких вариантах, обеспечивающих решение следующих задач:

o моделирование сложных производственных систем и стратегий управ­ления;

o построение иерархических объектно-ориентированных моделей, включаю­щих производственные, логистические и бизнес-процессы;

o создание и использование специализированных объектных библиотек для быстрого моделирования типовых объектов;

o формирование диаграмм и графиков для анализа производительности, ре­сурсов и узких мест;

o анализ спроектированных производственных и жизненных циклов, вклю­чая анализаторы узких мест, построение диаграмм Ганта и Сэнки;

o трехмерная анимация и визуализация производственных и эксплуатацион­ных процессов;

o оптимизация процессов и ресурсов на основе генетических алгоритмов;

o сопряжение с ERP- и MES-системами за счет открытой архитектуры, под­держивающей различные интерфейсы (ORACLE, SQL, ODBC, XML, CAD, Socket, ActiveX и т. д.).

На современных успешных предприятиях, достигающих эффективности и конкурентоспособности за счет снижения себестоимости и сокращения времени выхода продукта на рынок, логистика становится ключевой технологией. Таким образом, использование подходов just-in-time (точно вовремя) и just-in-sequence (в надлежащем порядке), проектирование новых и модернизация имеющихся про­изводственных, транспортных и обслуживающих мощностей требуют наличия объективных критериев для сравнения и оценки различных решений еще на этапе принятия решений.

Системы цифрового моделирования производства обеспечивают создание мо­дели производственных и логистических процессов, систем с целью анализа и оптимизации их характеристик. Эти модели позволяют проводить виртуальные экс­перименты и анализ по принципу «что, если» без вмешательства в работу реаль­ной системы либо задолго до начала строительства реальных производственных мощностей. Мощные средства сбора детальной статистики, анализа и визуализа­ции дают проектировщику возможность оценить различные варианты и на основе их сравнительного анализа принять решения на ранних стадиях проектирования производства.

Моделирование с использованием цифровой модели производственного цикла используется также для оптимизации производительности, выявления и «расшив­ки» узких мест и минимизации объема незавершенного производства. С помощью цифровой модели можно рассчитать требуемые производственные ресурсы, учесть внешних и внутренних поставщиков, сопутствующие бизнес-процессы и другие факторы, анализируя их влияние на будущее производство. Таким образом, появляется возможность сравнить различные стратегии управления объектом, про­верить ритмичность работы технологических линий и отдельных участков. Зада­вая разные правила и параметры для потоков материалов и комплектующих, можно проверить, как они влияют на интегральные показатели работы всей про­изводственной системы.

Пример моделирования временных показателей непрерывного производственного процесса показан на рис. 10.4.

Рис. 10.4 Составление графика производственных партий, сменной работы и загрузки оборудования

В системы встроены модули для моделирования и программирования роботи­зированных производственных участков (пример показан на рис. 10.5). Это позволяет оптимизировать и согла­совать время циклов, позиции, движения каждого робота, исключить реальные коллизии между роботами, деталями, инструментами, оснасткой и окружением. В дополнение к программированию каждого отдельного робота также возможно моделирование всего роботизированного процесса предприятия, равно как и сме­шанного – с участием роботов и людей.

Подсистемы моделирования рабочих мест позволяют осуществлять эргономи­ческий анализ рабочего места с учетом эргономических стандартов. Эргономиче­ский анализ может быть произведен как в статическом режиме (используя интерак­тивные серии запросов и следуя конкретным стандартам), так и в динамическом с использованием анимированных манекенов. Эти модули обеспечивают не толь­ко формирование оптимального рабочего цикла сотрудников, но и соблюдение норм и правил техники безопасности, рационального планирования отдыха и пе­рерывов на пересмену, определения потребного количества сотрудников.

Рис. 10.5 Моделирование роботизированного рабочего места в DELMIA

На рис. 10.6 показано моделирование выполнения монтажниками работ в труднодоступных местах.

Отдельно эффективно применение модулей моделирования эргономики на этапе проектирования изделий и продуктов, что обеспечивает их собираемость, ремонтопригодность, высокие эксплуатационные качества.

Специализированные модули систем цифрового производства позволяют так­же учитывать в модели случайные факторы, такие как сбои оборудования, откло­нения от номинальных значений времен обработки деталей, переналадок и дру­гих параметров. Случайная величина отклонения какого-либо параметра может быть задана в виде математического распределения, при этом отклонения воз­можны нескольких типов, либо в виде эмпирического распределения, в том слу­чае когда требуется учесть имеющуюся на предприятии реальную статистику на­дежности оборудования.

Рис. 10.6 Моделирование ручных сборочных и контрольных операций в DELMIA

Таким образом, системы цифрового моделирования производства позволяют создать виртуальное предприятие, учитывающее все производственные процессы и ресурсы: оборудование, промышленных роботов, людские ресурсы, потоки ма­териалов и энергии и т. д., в котором можно изменять любые параметры, доби­ваясь наиболее подходящей конфигурации. Предприятия, владеющие такими виртуальными моделями, способны эффективно контролировать и управлять циклами создания продуктов и запуска их в производство. Цифровые модели про­изводства обеспечивают не только моделирование локальных процессов (напри­мер, работы станков с ЧПУ), но и всех этапов жизненного цикла продукта – от формирования концепции и проектирования, через изготовление и производство, до эксплуатации, ремонта и утилизации.

PDM

Системы управления данными об изделии (Product Data Management, PDM) – категория программного обеспечения, позволяющая сохранять данные об из­делии в базах данных. К данным об изделии прежде всего относят инженерные данные, такие как CAD-модели и чертежи (CAD), цифровые макеты (DMU), спе­цификации материалов (ВОМ), а также технологическую информацию. PDM-системы являются также интегрирующим звеном при построении системы управ­ления жизненным циклом (PLM).

PDM позволяет создать на предприятии единую информационную среду разра­ботки изделий, ресурсами которой могут пользоваться все заинтересованные служ­бы: отделы главного конструктора и главного технолога, отдел технической доку­ментации, службы снабжения, маркетинга и сбыта, представители заказчика и др. Для обеспечения этой возможности в PDM реализована концепция единого храни­лища документов, что позволяет легко использовать документ в нескольких проек­тах, получать специализированные для разных служб и отдельных пользователей представления проекта, создавать библиотеки типовых решений и обеспечивать возможность коллективной работы над одним или разными проектами. Архитек­тура современных PDM позволяет одновременно использовать несколько отдель­ных тематических хранилищ документов. Например, можно создать рабочий архив предприятия, хранилище документации для вспомогательного производства, спе­циализированное хранилище для коллективной работы над отдельным проектом, индивидуальные хранилища для рабочих групп или пользователей. Для доступа и работы в этих хранилищах используется единое клиентское приложение PDM.

Внешний вид главного окна типичной PDM-системы показан на рис. 11.1.

Рис. 11.1 Представление информации в SWR-PDM

Функции PDM

К основным функциям PDM относятся:

o хранение документов;

o структуризация проекта и классификация документов;

o поиск документов;

o управление доступом к документам;

o отслеживание истории и управление изменениями;

o организация коллективной работы;

o формирование отчетов и спецификаций;

o интеграция различных СAD/CAM/CAE-систем и связь с ERP.

Рассмотрим каждую функцию более подробно.

Лекция 17